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Coronatine promotes maize water uptake by directly binding to the aquaporin zmpip2;5 and enhancing its activity

Journal of Integrative Plant Biology 2023年第3期65卷 703-720页

作者： Rui He Huiqing Su Xing Wang Zhijie Ren Kun Zhang Tianyu Feng Mingcai Zhang Zhaohu Li Legong Li Junhong Zhuang Zhizhong Gong Yuyi Zhou Liusheng Duan State Key Laboratory of Plant Physiology and Biochemistry Engineering Research Center of Plant Growth RegulatorMinistry of Education&College of Agronomy and BiotechnologyChina Agricultural UniversityBeijing 100193China College of Plant Protection China Agricultural UniversityBeiing 100193China Key Laboratory of Plant Gene Resources and Biotechnology for Carbon Reduction and Environmental Improvement Beijing Municipal GovernmentCollege of Life SciencesCapital Normal UniversityBeijing 100048China Center for Crop Functional Genomics and Molecular Breeding China Agricultural UniversityBeijing 100193China State Key Laboratory of Plant Physiology and Biochemistry College of Biological SciencesChina Agricultural UniversityBeijing 100193China

Water uptake is crucial for crop growth and development and drought stress tolerance. The water channel aquaporins(AQP) play important roles in plant water uptake. Here, we discovered that a jasmonic acid analog, coronatine(COR), enhanced maize(Zea mays) root water uptake capacity under artificial water deficiency conditions. COR treatment induced the expression of the AQP gene Plasma membrane intrinsic protein 2;5(zmpip2;5).In vivo and in vitro experiments indicated that COR also directly acts on zmpip2;5 to improve water uptake in maize and Xenopus oocytes. The leaf water potential and hydraulic conductivity of roots growing under hyperosmotic conditions were higher in zmpip2;5-overexpression lines and lower in the zmpip2;5 knockout mutant, compared to wild-type plants. Based on a comparison between zmpip2;5 and other PIP2s, we predicted that COR may bind to the functional site in loop E of zmpip2;5. We confirmed this prediction by surface plasmon resonance technology and a microscale thermophoresis assay, and showed that deleting the binding motif greatly reduced COR binding. We identified the N241 residue as the COR-specific binding site, which may activate the channel of the AQP tetramer and increase water transport activity,which may facilitate water uptake under hyperosmotic stress.

关键词： coronatine osmotic stress water uptake capacity zmpip2 5

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玉米质膜内在蛋白zmpip2;6响应水分胁迫的功能鉴定

玉米质膜内在蛋白ZmPIP2;6响应水分胁迫的功能鉴定

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作者：熊雨涵西南大学

学位级别：硕士

玉米(Zea mays L.)是重要的粮食、饲料和经济作物,在我国农业生产中扮演着不可或缺的角色。干旱和盐长久以来都是严重影响玉米产量的非生物胁迫因素,培育具有抗旱、耐盐功能的玉米至今仍是增加玉米产量的重要目标。质膜内在蛋白(Plasma ... 详细信息

玉米(Zea mays L.)是重要的粮食、饲料和经济作物,在我国农业生产中扮演着不可或缺的角色。干旱和盐长久以来都是严重影响玉米产量的非生物胁迫因素,培育具有抗旱、耐盐功能的玉米至今仍是增加玉米产量的重要目标。质膜内在蛋白(Plasma membrane Intrinsic Proteins,PIPs)广泛存在于植物细胞膜系统中,在植物体内的水分运输和胁迫响应过程中起着至关重要的作用。本文已经对zmpip2;6在植物水分胁迫耐受性方面的功能分析进行了研究。研究结果如下:1)对zmpip2;6做了氨基酸序列分析和蛋白结构分析。与其他参与水分胁迫耐受性的PIPs相比,zmpip2;6具有相同的保守结构域和保守序列。2)构建zmpip2;6-GFP融合载体,通过从玉米幼苗叶片中分离出来的原生质体对zmpip2;6进行亚细胞定位,结果显示zmpip2;6定位于细胞质膜。3)表达模式分析结果显示,zmpip2;6在玉米雄穗中表达量最高,胚乳中表达量最低。用PEG或者NaCl处理玉米,可以诱导其根和叶片中zmpip2;6在水分胁迫下的表达。4)在渗透、干旱和盐胁迫条件下,zmpip2;6超表达转基因拟南芥与野生型相比具有更强的耐受性。在MS培养基模拟的渗透胁迫或者盐胁迫条件下,zmpip2;6超表达转基因拟南芥的根长要长于野生型。土培实验中,zmpip2;6超表达转基因拟南芥对干旱胁迫的耐受性相比于野生型有明显增强。5)在干旱或盐胁迫条件下,zmpip2;6超表达转基因拟南芥植株中胁迫响应基因的表达受到不同程度的诱导。6)zmpip2;6超表达和crispr-cas9敲除的转基因玉米已成功培育和鉴定。7)双分子荧光互补(Bimolecular Fluorescence Complementation,BiFC)实验中,zmpip2;6和zmpip1;1互作可能使亚细胞重新定位在细胞质膜和叶绿体上。总的来说,在渗透胁迫或者盐胁迫条件下,zmpip2;6基因的表达量上调。在转基因拟南芥中超表达zmpip2;6可以提高植株对渗透、盐和干旱胁迫的耐受性。在干旱胁迫或者盐胁迫条件下,拟南芥胁迫信号通路上相关基因的表达会受zmpip2;6的影响。这些结果表明zmpip2;6可能与植物水分胁迫的响应途径有关。进一步研究玉米中zmpips的相互作用和zmpip2;6的CO通透性,将有助于理解PIPs在植物中的功能。

关键词：玉米(Zea mays L.) zmpip2 6 渗透胁迫干旱胁迫盐胁迫

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